甲烷-二氧化碳重整制合成气与现代分析技术应用于探究性化工专业实验的设计与探索

以甲烷-二氧化碳重整制合成气为实例，设计探究性实验，将合成气的制备和现代分析技术应用于化工专业实验的教学实践中以提高学生的创新和实践能力。实验包括催化剂的制备，催化剂的性能评价和催化剂的表征等3大部分。采用工业最常用的浸渍法制备含有不同助剂的Ni/X/γ-Al2O3（X为Co，Fe，MgO，CeO2）催化剂，以甲烷-二氧化碳重整反应评价其催化性能，并采用XRD、H2-TPR、BET和TG对催化剂的微观结构进行表征。结合催化剂的性能评价结果和表征结果，探讨不同助剂对镍基催化剂性能的改善效果及机制。通过开设该实验，可以让学生了解化工学科的前沿知识以及现代分析技术的基本原理和用途，掌握专业的实验操作、数据处理和谱图绘制方法，提高学生的专业素养和综合能力。     

大气压下甲烷火花放电制乙炔和合成气

用大气压下火花放电方法和发射光谱原位诊断技术, 对CH₄直接转化制乙炔和间接转化制合成气进行了研究, 并与介质阻挡放电进行了比较。结果表明, 火花放电具有能量效率高的突出优点, 能够高效地将CH₄活化成C原子、H原子和C₂等活泼物种。当CH₄单独进料时, 能得到以C₂H₂为主的烃类产物。当CH₄与CO₂和O₂共进料时, 能得到H₂/CO比值可调的合成气产物。在用火花放电转化CH₄和CO₂制合成气时, 添加O₂能够避免反应器的结炭问题, 反应温度只需225 ℃, 与常规催化法相比具有明显的低温优势。     

金属氧化物催化剂上合成气转化中羧酸盐物种促进芳烃的生成

芳烃是重要的化工原料,目前主要通过石油催化裂化和催化重整制得.随着石油资源的消耗以及芳烃的需求日益增长,开发非石油路线制备芳烃势在必行.因此,从煤、天然气和生物质出发,经合成气一步制芳烃(STA)广受关注.将合成气制甲醇的金属催化剂和甲醇制芳烃的分子筛催化剂复合,可以制备双功能催化剂,用于合成气反应可高选择性得到芳烃.然而,关于此过程中芳烃的生成机理仍有争论.目前人们认为,生成芳烃的中间体主要分甲醇和其他含氧物种(乙烯酮,醛类)两种.本文以ZnCrAlOx和H-ZSM-5为模型催化剂,进行合成气制芳烃、甲醇制芳烃和丙烯制芳烃反应,确定了传统的甲醇制芳烃路径不是合成气制芳烃中的主要途径,并通过原位傅里叶变换红外光谱和气相色质谱解释了STA反应中两种活性组分距离越近,芳烃选择性越高的原因,从而提出了在合成气制芳烃过程中芳烃的生成机理.通过比较双功能催化剂上合成气、甲醇以及丙烯的反应性能发现,在甲醇和丙烯转化时,其芳烃选择性远小于合成气转化时的,由此可认为,在合成气制芳烃的路径主要不经由传统的甲醇制芳烃,而是通过烯烃聚合脱氢生成芳烃.红外表征和共进料实验表明,合成气可以在金属催化剂表面生成甲酸盐物种,它可与烯烃反应生成羧酸盐物种,再迁移到分子筛上反应生成芳烃,且羧酸盐物种在分子筛上的芳构化能力要高于丙烯;即使在氢气氛围下,当丙烯的芳构化能力受到氢气极大抑制时,羧酸盐物种仍能高选择性生成芳烃.本文制备了一系列金属催化剂和分子筛物理接近距离不同的双功能催化剂,研究了合成气在双功能催化剂上制芳烃时,金属催化剂和分子筛二者组分的距离对芳烃选择性的影响.随着二者接近距离的增加,芳烃选择性急剧增加;通过GC-MS分析合成气转化时的停留物种,发现随着二者接近距离的增加,羧酸盐物种和甲基环戊烯酮的量明显增加,因此,羧酸盐物种和甲基环戊烯酮物种在生成芳烃中起到了重要的作用.综上所述,我们提出了STA中一条新的芳烃生成路径,并证明了羧酸盐物种是其中重要的中间物种.它经由金属表面的甲酸盐物种和烯烃反应生成,随后迁移到分子筛上生成甲基环戊烯酮物种,再脱水生成芳烃.     

半焦原位气化气对淖毛湖煤热解焦油产率和品质的影响

本研究采用实验室自制的热解气化一体化反应器,考察了气化合成气对煤热解焦油产率和品质的影响。结果表明,淖毛湖煤热解焦油产率在600℃时达到最大,气化合成气对提高低温（550–600℃）煤焦油的产率更有利,其中,550℃时焦油产率较N₂下提高了4.4%。气化合成气气氛下,高温（650–800℃）焦油的产率较N2低,但650–700℃热解焦油的品质明显改善,其中,轻质组分的产率有明显提升;低于600℃热解挥发分中脂肪烃和含氧化合物的裂解反应加剧,使焦油中其含量降低,而苯系和萘系化合物的生成量增加;650℃以上的热解挥发分中酚类化合物的二次裂解反应会加剧,导致焦油中其生成量降低;对800℃热解挥发分中多环芳烃二次裂解反应的发生更有利,但对提高低于700°热解焦油中多环芳烃的生成量则更加有利。     

钛副族金属氧化物催化合成气转化性能的研究

将超临界法制备的钛副族纳米金属氧化物（TiO₂、ZrO₂、HfO₂）分别与ZSM-5分子筛和石英砂混合得到双功能催化剂（Ti/HZ、Zr/HZ、Hf/HZ）和金属氧化物催化剂（Ti/Si、Zr/Si、Hf/Si）。研究了金属氧化物的晶体结构、表面氧空位和合成气吸附性能对金属氧化物催化剂和双功能催化剂催化CO加氢性能的影响。结果表明,双功能催化剂可以直接催化合成气制芳烃。金属氧化物表面氧空位浓度、氧空位电子性质和金属氧化物的H/C比（CO和H₂吸附量之比）共同决定着金属氧化物表面中间体产物的种类。ZrO₂表面的碳氢氧（CH_xO^*）中间体产物有利于Zr/HZ获得芳烃高选择性（71.15%）,而TiO₂和HfO₂中的CH₃^*则导致Ti/HZ和Hf/HZ的催化产物CH₄选择性较高。     

ZrO2晶相对ZnO/ZrO2+SAPO-34双功能催化剂上合成气制烯烃反应的影响

烯烃是重要的化工原料,目前主要通过石油催化裂化得到.随着石油资源的消耗以及人们对烯烃需求的日益增长,开发非石油路线制取烯烃势在必行.合成气可以从煤、天然气和生物质等获得,由合成气作为重要的C1平台分子一步制取烯烃(STO)的过程受到了广泛关注.将合成气制甲醇/二甲醚的金属催化剂与甲醇制烯烃的分子筛催化剂耦合得到的混合双功能催化剂,可以使合成气高选择性地转化为烯烃.其中,ZnO/ZrO₂金属氧化物催化剂被广泛应于合成气的活化,然而,该金属氧化物结构对混合双功能催化剂上合成气制烯烃反应的影响尚不明确.本文合成了单斜相ZrO₂(m-ZrO₂)和四方相ZrO₂(t-ZrO₂),并负载ZnO制成催化剂,再将其与SAPO-34分子筛物理混合得到混合双功能催化剂,用于合成气制烯烃反应中.在较优化的条件下,ZnO/m-ZrO₂与SAPO-34分子筛组成的双功能催化剂CO转化率为27.9%,低碳烯烃选择性高达80.5%,性能明显优于ZnO/t-ZrO₂+SAPO-34双功能催化剂.为研究ZrO₂晶相对催化合成气制烯烃反应性能的影响,对ZnO/ZrO₂进行红外光谱表征.结果表明,ZnO/m-ZrO₂较ZnO/t-ZrO₂具有更多的表面羟基和更多的路易斯酸性位点.金属氧化物表面的路易酸主要与催化剂表面不饱和的金属离子有关,而且Zr基催化剂表面羟基有助于缺陷氧的形成,因此,ZnO/m-ZrO₂催化剂表面应该具有更高浓度的氧缺陷位.光电子能谱进一步证明了ZnO/m-ZrO₂表面有更高浓度的氧缺陷位.另外,Zr基催化剂上表面羟基还有利于CO与其形成羧酸盐物种,在623-673 K条件下的CO原位吸附的红外光谱表明,ZnO/m-ZrO₂催化剂上CO吸附的浓度及其表面羧酸盐浓度均明显高于ZnO/t-ZrO₂催化剂,这与ZnO/m-ZrO₂表现出更好的催化合成气转化性能一致.为了探究该催化剂体系上合成气制烯烃的反应路径,分别对两种晶相的ZnO/ZrO₂和相应的双功能催化剂进行了原位红外监测.与CO红外漫反射相比,合成气氛围下金属氧化表面除了存在吸附态的CO和甲酸盐物种,还存在表面甲氧基物种,后者是合成气制甲醇/二甲醚过程重要的中间物种.对合成气制烯烃过程中分子筛上的停留物种进行分析,结果发现,停留物种中含有多甲基苯、多甲基萘等甲醇制烯烃过程中的烃池物种.另外,合成气氛围下双功能催化剂甲氧基信号峰明显弱于金属氧化物表面甲氧基的信号强度,表明STO过程应该是合成气制甲醇/二甲醚与甲醇制烯烃的串联过程.综上所述,在STO反应中,相较于ZnO/t-ZrO₂催化剂,ZnO/m-ZrO₂催化剂具有更高浓度的表面羟基物种、路易斯酸密度和表面氧缺陷位,从而有利于羧酸盐及甲氧基中间物种的形成,进而提高了混合双功能催化剂催化STO反应性能.     

N2与CO2对合成气爆炸特性影响的实验研究

为了研究惰性气体（氮气及二氧化碳）对合成气爆炸特性的影响，利用20 L球形爆炸仪器，开展不同体积分数氮气与二氧化碳作用下不同当量比合成气的爆炸实验，从爆炸峰值压力、爆炸压力到达峰值时间、爆炸指数方面分析惰性气体对合成气爆炸特性的影响。研究结果表明:惰性气体体积分数的增加会降低合成气的爆炸压力和爆炸指数，推迟爆炸压力到达峰值的时间；在相同体积分数下，CO₂比N₂能更有效地降低合成气的爆炸峰值压力和爆炸指数，减小爆炸反应的剧烈程度，CO₂在抑制合成气爆炸方面比N₂的效果明显。     

CFD modeling using heterogeneous reaction kinetics for catalytic dehydrogenation syngas reactions in a fixed-bed reactor

A comprehensive 2D computational fluid dynamics （CFD） model was developed to simulate the flow behavior and catalytic dehydrogenation reaction of syngas in a heterogenous fixed-bed reactor （FBR）. The model combined the porous medium CFD model with a reaction kinetics model. To acquire an accu- rate reaction kinetics model, a comprehensive reaction mechanism was studied for the heterogeneous catalytic dehydrogenation reaction ofsyngas over a supported metal catalyst. Based on the reaction mech- anism and a statistical test, a reliable kinetics model was proposed. The CFD model combined with the above kinetics model was validated with one set of experimental data. The CFD model was also used to predict key reaction variable distributions such as the temperature and the component concentrations in the reactor.     

CH4 reforming with CO2 for syngas production over La2O3 promoted Ni catalysts supported on mesoporous nanostructured γ-A12O3

Nanostructured -y-A12O3 with high surface area and mesoporous structure was synthesized by sol-gel method and employed as catalyst support for nickel catalysts in methane reforming with carbon dioxide. The prepared samples were characterized by XRD, N2 adsorption-desorption, TPR, TPO, TPH, NH3-TPD and SEM techniques. The BET analysis showed a high surface area of 204 m2.g-1 and a narrow pore-size distribution centered at a diameter of 5.5 nm for catalyst support. The BET results revealed that addition of lanthanum oxide to aluminum oxide decreased the specific surface area. In addition, TPR results showed that addition of lanthanum oxide increased the reducibility of nickel catalyst. The catalytic evaluation results showed an increase in methane conversion with increasing lanthanum oxide to 3 mol% and further increase in lanthanum content decreased the catalytic activity. TPO analysis revealed that the coke deposition decreased with increasing lanthanum oxide to 3 mol%. SEM and TPH analyses confirmed the formation of whisker type carbon over the spent catalysts. Addition of steam and Oxide to drv reformin feed increased the methane conversion and led to carbon free ooeration in combined orocesses.     

Ce-Cu-Co/CNTs催化剂催化合成气制低碳醇及乙醇的研究

采用共浸渍法制备了不同Ce含量的Ce-Cu-Co/CNTs催化剂,考察了其在合成气制低碳醇反应中的催化性能,借助X射线衍射(XRD)、程序升温还原(H2-TPR)、N2吸脱附实验(BET)、透射电镜(TEM)和CO程序升温脱附(CO-TPD)对这些催化剂进行了表征.结果表明,当Ce的质量分数为3%时,低碳醇的时空收率和选择性达到最高,分别为696.4 mg?g-1?h-1和59.7%,其中乙醇占总醇的46.8%,适量Ce的添加能提高Cu物种在催化剂上的分散度和催化剂的还原性能,能显著地增加催化剂吸附CO的能力,促进合成醇活性位的形成,进而明显提高催化剂的活性和总醇的选择性.研究表明,将具有高活性和高碳链增长能力的CuCo基催化剂与碳纳米管的限域效应结合,可实现缩窄产物分布、大幅度提高乙醇选择性的目的.